Recently, there have been enormous researches on multiple-input multiple-output (MIMO) deploying multiple antennas at transmitter and receiver sides, which can be widely classified into beamforming and space-time coding (STC). The former generates specific beam targeted to serving user to accomplish array gain or SNR gain while the latter exploits independent multiple paths between each transmit-receive antenna pair to obtain spatial multiplexing and/or spatial diversity such as vertical Bell Lab layered space time (V-BLAST), space-time block coding (STBC), and double space-time transmit diversity (D-STTD). It is well known that the antenna spacing in the beamforming systems is required to be narrow, but that in the STC systems should be enough wide to be uncorrelated between each path. In outdoor environment, however, it is not easy to secure the independence of each path for STC due to spatial limitation for deploying a large number of antennas and relatively insufficient scatters. In this respect, transmit beamforming combined with V-BLAST and Alamouti's STBC has been developed, which generates independent and power-concentrated beam paths in order to attain array gain as well as spatial multiplexing gain and/or spatial diversity gain by employing a uniform-linear array (ULA). In this thesis, we extensively and rigorously investigate the transmit beamforming systems with quasi-orthogonal STBC (QO-STBC), and D-STTD. Furthermore, beamforming group selection scheme for the case combined with V-BLAST, beam shuffling and beam selection schemes for the case combined with QO-STBC and D-STTD are proposed to improve spatial diversity gain with no additional radio frequency (RF) chains in an economical manner. Especially, the simplified algorithm for the beam shuffing and the beam selection in the case combined with D-STTD is presented in comparison with the conventional antenna shuffling and selection schemes.
다중안테나 시스템은 차세대 무선통신에서 가장 주목받는 기술 중 하나로 각광받고 있다. 안테나 배열 구조에 따라 다중 안테나 시스템은 크게 빔포밍과 시공간 코딩 기법으로 나눌 수 있다. 송신 빔포밍은 수신단에서 피드백받은 채널 정보를 이용하여 원하는 방향으로 빔을 조향하는 기술로서 빔 성형을 위해 안테나 배열의 간격을 좁게두어 송신 신호들이 높은 상관도를 갖도록 한다. 시공간 코딩 기법은 크게 다중안테나의 공간 다이버시티를 이용하여 데이터 전송의 신뢰성을 높이는 시공간 코딩기법과 다수의 안테나에서 다수의 송신데이터를 전송하여 데이터 전송률을 높이는 V-BLAST 시스템으로 나누어 볼 수 있고 위의 두 이득을 동시에 얻기 위한 노력으로 이중 시공간 다이버시티 구조가 제안되었다. 위와 같은 시공간 코딩 기법은 서로 상관되지 않은 안테나를 사용할 때 손실 없이 이득을 얻을 수 있다.
송신 빔포밍과 시공간 코딩 기법 모두 기지국에서 다수의 안테나 를 사용하는 기법이지만 서로 안테나 배열이 상반되게 다른 구조를 가지므로 빔포밍과 시공간 코딩 기법의 결합은 오래전부터 많은 연구가 시행되어 왔다. 이의 일환으로 최근 시공간 코딩 기법 중 데이터 전송률 이득을 얻는 V-BLAST 기법과 송신 빔포밍의 결합과 다이버시티 이득을 얻는 Alamouti 기법과 송신 빔포밍의 결합 시스템이 제안되었다. 이 두 기법 모두 송신 빔포밍 시스템에 시공간 코딩 기법을 결합한 것으로 좁은 안테나 배열에서도 충분히 다이버시티 이득이나 데이터 전송률을 얻을 수 있다는 것을 보여주었다.
본 논문에서는 V-BLAST나 Alamouti 기법 이외에 다양한 시공간 코딩 기법을 송신 빔포밍에 적용함으로서 빔포밍 이득과 다이버시티/데이터 전송률을 동시에 얻을 수 있는지에 대해 실험해 보았다. 첫번째로 송신 빔포밍 기법에 V-BLAST를 도입함으로서 빔포밍 이득과 데이터 전송률을 동시에 얻음을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 송신 안테나 배열의 통계적 상관도가 클수록 빔포밍 이득이 커짐을 확인할 수 있었다. 또한, RF 체인을 증가시키지 않으면서 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 안테나 그룹 선택을 도입할 경우 추가적으로 다이버시티 이득을 얻는 것을 확인하였다.
두번째로 송신 빔포밍에 준 직교 시공간 코딩 기법을 적용하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 빔포밍 이득과 다이버시티 이득을 동시에 얻을 수 있었다. 추가적으로 송신 안테나를 채널의 간섭값이 최소가 되도록 안테나를 재배치 하여 보내는 안테나 재배열 기법을 송신 빔포밍에 적용하였다. 이 송신 안테나 재배열 기법은 안테나 선택 기법과 마찬가지로 RF 체인의 수를 증가시키지 않고도 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 기법이다. 또한 빔의 개수가 데이터 스트림의 수보다 많을 경우에는 채널의 간섭치가 최소가 되게끔 하는 빔 선택 기법을 도입하여 더욱 향상된 다이버시티 이득을 얻을 수 있었다.
마지막으로 이중 시공간 다이버시티 구조를 송신 빔포밍에 결합하여 빔포밍 이득과 다이버시티 이득은 물론 데이터 전송률을 향상시키는 시스템을 설계하였다. 기존에 제안된 이중 시공간 다이버시티 구조에서의 안테나 재배열 기법은 신호 대 잡음 비가 최대값이 되는 안테나 재배열 경우를 실제 송신에 적용함으로서 다이버시티 이득을 얻는 기법이다. 하지만 선형 수신기에서만 사용할 수 있고 복잡도가 높다는 단점이 있어서 새로운 안테나 재배열 기법을 제안하였다. 채널 매트릭스만을 사용하여 시스템 용량을 최대화 시키는 안테나 재배열 패턴을 선택하는 기법을 제안하고 이를 실험해 본 결과 기존의 안테나 재배열 기법과 BER 성능이 일치하였다. 그리고 빔포밍 시스템에 적용해 본 결과 위에서와 마찬가지로 빔포밍 이득을 얻는 동시에 다이버시티 이득을 얻는 것을 확인할 수 있었다.
